(57)【要約】  本発明の一態様にかかる対物レンズは、第１の面（Ｓ１）〜第４の面（Ｓ４）を有する第１の素子（１１）と、第１平面（Ｓ４’）及び第２平面（Ｓ５）を有し、第１の素子（１１）の試料側に配置された第２の素子（１２）と、を備えている。第１の面（Ｓ１）が、光軸（ＯＸ）上に配置された透過平面であり、第２の面（Ｓ２）は、光軸上に配置された反射凸面であり、第３の面（Ｓ３）は、第１の面（Ｓ１）の外側に配置された反射凹面であり、第４の面（Ｓ４）が、第２の面（Ｓ２）の外側に配置された透過平面である。第１平面（Ｓ４’）が第４の面（Ｓ４）と接合される透過平面であり、第２平面（Ｓ５）が第１平面（Ｓ４’）と平行な透過平面である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面、第２の面、第３の面、及び第４の面を有する第１の素子と、
第１平面及び第２平面を有し、前記第１の素子の試料側に配置された第２の素子と、を備えた反射対物レンズであって、
前記第１の面が、光軸上に配置された透過平面であり、
前記第２の面は、光軸上に配置された反射凸面であり、
前記第３の面は、前記第１の面の外側に配置された反射凹面であり、
前記第４の面が、前記第２の面の外側に配置された透過平面であり、
前記第１平面が、前記第４の面と接合される透過平面であり、
前記第２平面が、前記第１平面の試料側に配置された透過平面である反射対物レンズ。
【請求項２】
前記第１平面と前記第２平面が平行になっている請求項１に記載の反射対物レンズ。
【請求項３】
前記第２平面が液浸媒質と接触する請求項１、又は２に記載の反射対物レンズ。
【請求項４】
第１の面、第２の面、第３の面、及び第４の面を有する第１の素子と、
前記第４の面と接合される第１平面と、前記第１平面と対向する対向面とを備えた第２の素子であって、前記第１の素子の試料側に配置された第２の素子と、を備えた反射対物レンズであって、
前記第１の面が、光軸上に配置された透過平面であり、
前記第２の面は、光軸上に配置された反射凸面であり、
前記第３の面は、前記第１の面の外側に配置された反射凹面であり、
前記第４の面が、前記第２の面の外側に配置された透過平面であり、
前記第１平面が透過平面であり、
前記対向面の中央部分には、透過面である球面が設けられている反射対物レンズ。
【請求項５】
前記球面が液浸媒質と接触する請求項４に記載の反射対物レンズ。
【請求項６】
前記液浸媒質の屈折率が前記第１の素子と前記第２の素子の屈折率と同じである請求項３、又は５に記載の反射対物レンズ。
【請求項７】
前記第２の面、及び前記第３の面の少なくとも一方が非球面である請求項１〜６のいずれか１項に記載の反射対物レンズ。
【請求項８】
前記第１の素子と前記第２の素子とが同じ材料により形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の反射対物レンズ。
【請求項９】
前記第３の面と前記第１平面との間には、空間が設けられている請求項１〜８のいずれか１項に記載の反射対物レンズ。
【請求項１０】
前記空間を外部に繋げるための溝、又は穴が形成されている請求項９に記載の反射対物レンズ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の対物レンズを用いた観察方法であって、
試料を覆うカバーガラスに対向するよう前記対物レンズを配置して、
前記対物レンズと前記カバーガラスの間に液浸媒質を満たした状態で、観察を行う観察方法。
【請求項１２】
前記第１の素子、前記第２の素子、前記液浸媒質、及び前記カバーガラスが、同じ屈折率を有している請求項１１に記載の観察方法。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の対物レンズを用いた観察方法であって、
試料に対向するよう前記対物レンズを配置して、
前記対物レンズと前記試料との間に液浸媒質を満たした状態で、観察を行う観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射対物レンズ、及び、それを用いた観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射鏡によって光を集光する反射対物レンズは、ガラスの屈折を利用した対物レンズとは異なり、色収差が無く、深紫外から赤外までの広い波長領域で使用可能である。反射対物レンズの一種であるシュヴァルツシルト（Schwarzschild）型の対物レンズは、２枚の反射鏡のみで構成されているにもかかわらず、球面収差、コマ収差、非点収差が補正され、比較的高い開口数（ＮＡ）が実現できる。【０００３】
非特許文献１、非特許文献２、及び特許文献１には、シュヴァルツシルト型の対物レンズが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／０１９８７９３号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】宮田  尚一、柳川  三郎、顯微鏡の反射對物レンズ応用物理  第２１巻 第２−３号
【非特許文献２】H. Inagawa al., “Reflecting microscope system with a 0.99 numerical aperture designed for three-dimensional fluorescence imaging of individual molecules at cryogenic temperatures”, Rep. 5, 12833; doi: 10.1038/srep12833 (2015).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に記載の対物レンズは、液浸系の対物レンズである。非特許文献１では、対物レンズの先端に、焦点を中心とした球面を持った平凸レンズを追加している（非特許文献１の図３参照）。この対物レンズでは、光軸上の焦点に向かう光は追加された平凸レンズの球面に垂直に入射するため、軸上に色収差が発生しない。さらに、非特許文献１には、深紫外の波長領域における顕微鏡観察のために、平凸レンズ及びカバーガラスの材料に深紫外光を透過する溶融石英ガラスを用い、平凸レンズとカバーガラスの間の溶解石英ガラスに近い屈折率を持ったグリセリンで満たす方法が開示されている。【０００７】
しかしながら、非特許文献１の対物レンズにおいては、対物レンズの組み立て時に対物レンズを構成する凹面鏡、凸面鏡、平凸レンズの３つの素子の間隔、偏心、傾きを高精度に調整する必要がある。そのため、高ＮＡの対物レンズを製作しようとする場合において、この調整が困難になるという問題がある。【０００８】
非特許文献２の対物レンズは液浸系の対物レンズである。対物レンズを構成する凸面鏡と凹面鏡を一つの溶解石英ガラス素子の内面に形成している（非特許文献１の図１（ａ））。さらに、光の入射平面と焦点を中心とした射出球面が同じ溶解石英ガラス素子に形成されている。非特許文献２の対物レンズでは、軸上に集光される光は球面に垂直に入射するため、軸上の色収差は発生しない。この対物レンズでは、一つの溶解石製ガラス素子を用いているため、素子間の調整は不要となる。【０００９】
しかしながら、非特許文献２の対物レンズにおいては、凹面鏡、凸面鏡、射出球面の３つの非平面を、１素子に高精度に形成する必要がある。特に高ＮＡの対物レンズを製作しようとする場合に、これらの非平面の間隔、偏心、傾きを必要な精度で形成するのが困難であるという問題がある。また、射出球面が素子に対して凹んだ形状となっているために、射出球面から焦点までの空間を満たすために、多量の液浸媒質が必要である。空気中で焦点が下になる向きで対物レンズを使用する場合、この空間を液浸媒質で満たすのが難しいという問題がある。【００１０】
特許文献１には、反射対物レンズ、及びその製造方法が開示されている（特許文献１の図４）。この製造方法では、スピンコート工程を行うことで、基板の上に、Ｐｆ１とＰｆ２とを有するプラットフォームが形成される（特許文献１の図４（ａ））。次に、第１のインクジェットプリント工程により、Ｐｆ２の上に、キャリア材料（９）が形成される。具体的には、インクジェットプリント工程では、感光性樹脂液を塗布した後、予備加熱、紫外照射、加熱工程を行っている。キャリア材料（９）の上に、アルミニウム材料を成膜することで、凸面鏡である第１の反射素子（３）が形成される（特許文献１の図４（ｄ））。【００１１】
さらに、第２のインクジェットプリント工程を行うことで、第１の反射素子（３）の上にキャリア材料（９）が形成される（特許文献１の図４（ｅ））。キャリア材料の上に、アルミニウム材料を成膜することで、凹面鏡である第２の反射素子（５）が形成される。【００１２】
特許文献１の反射対物レンズでは、キャリア材料が、塗布、予備加熱、紫外照射、加熱工程を有するインクジェットプリント工程により形成されている。よって、キャリア材料の凹面、及び凸面を高精度で製造することができないという問題点がある。【００１３】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、製造誤差が小さい反射対物レンズ、及びそれを用いた観察方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様にかかる対物レンズは、第１の面、第２の面、第３の面、及び第４の面を有する第１の素子と、第１平面及び第２平面を有し、前記第１の素子の試料側に配置された第２の素子と、を備えた反射対物レンズであって、前記第１の面が、光軸上に配置された透過平面であり、前記第２の面は、光軸上に配置された反射凸面であり、前記第３の面は、前記第１の面の外側に配置された反射凹面であり、前記第４の面が、前記第２の面の外側に配置された透過平面であり、前記第１平面が、前記第４の面と接合される透過平面であり、前記第２平面が、前記第１平面の試料側に配置された透過平面であるものである。この構成によれば、製造誤差の小さい対物レンズを実現することができる。【００１５】
上記の対物レンズにおいて、前記第１平面と前記第２平面が平行になっていることが好ましい。【００１６】
上記の対物レンズにおいて、前記第２平面が液浸媒質と接触することが好ましい。このようにすることで、より高いＮＡでの観察が可能となる。【００１７】
本発明の一態様にかかる対物レンズは、第１の面、第２の面、第３の面、及び第４の面を有する第１の素子と、前記第４の面と接合される第１平面と、前記第１平面と対向する対向面とを備えた第２の素子であって、前記第１の素子の試料側に配置された第２の素子と、を備えた反射対物レンズであって、前記第１の面が、光軸上に配置された透過平面であり、前記第２の面は、光軸上に配置された反射凸面であり、前記第３の面は、前記第１の面の外側に配置された反射凹面であり、前記第４の面が、前記第２の面の外側に配置された透過平面であり、前記第１平面が透過平面であり、前記対向面の中央部分には、透過面である球面が設けられているものである。この構成によれば、製造誤差の小さい対物レンズを実現することができる。【００１８】
上記の対物レンズにおいて、前記球面が液浸媒質と接触するようにしてもよい。このようにすることで、より高いＮＡでの観察が可能となる。【００１９】
上記の対物レンズにおいて、前記液浸媒質の屈折率が前記第１の素子と前記第２の素子の屈折率と同じであることが好ましい。これにより、収差を低減することができる。【００２０】
上記の対物レンズにおいて、前記第２の面、及び前記第３の面の少なくとも一方が非球面であることが好ましい。このようにすることで、より高いＮＡでの観察が可能となる。【００２１】
上記の対物レンズにおいて、前記第１の素子と前記第２の素子とが同じ材料により形成されていることが好ましい。これにより、第１の素子と第２の素子の屈折率を一致させることができる。
上記の対物レンズにおいて、前記第３の面と前記第１平面との間には、空間が設けられていることが好ましい。
上記の対物レンズにおいて、前記空間を外部に繋げるための溝、又は穴が形成されていてもよい。【００２２】
本発明の一態様にかかる観察方法は、上記の対物レンズを用いた観察方法であって、試料を覆うカバーガラスに対向するように前記対物レンズを配置して、前記対物レンズと前記カバーガラスの間に液浸媒質を満たした状態で、観察を行うものである。これにより、高いＮＡで観察することができる。【００２３】
本発明の一態様にかかる観察方法は、前記第１の素子、前記第２の素子、前記液浸媒質、及び前記カバーガラスが、同じ屈折率を有していることが好ましい。これにより、収差を低減することができる。【００２４】
本発明の一態様にかかる観察方法は、上記の対物レンズを用いた観察方法であって、試料に対向するよう前記対物レンズを配置して、前記対物レンズと前記試料との間に液浸媒質を満たした状態で、観察を行うものである。これにより、高いＮＡで観察することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、製造誤差が小さい反射対物レンズ、及びそれを用いた観察方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本実施の形態にかかる反射対物レンズの構成を示す図である。
【図２】実施例１にかかる反射対物レンズのレンズデータを示す表である。
【図３】オプティカルコンタクトを容易にするための構成を示す断面図である。
【図４】オプティカルコンタクトを容易にするための別の構成を示す図である。
【図５】オプティカルコンタクトを容易にするための別の構成を示す図である。
【図６】実施例３にかかる反射対物レンズのレンズデータを示す表である。
【図７】変形例１にかかる反射対物レンズの構成を示す図である。
【図８】変形例１にかかる反射対物レンズの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本実施の形態にかかる対物レンズの構成について、図１を用いて説明する。図１は、対物レンズ１０の光軸ＯＸを含む断面図を示している。以下の説明では、入射、射出等の用語は、焦点Ｆに向かう光について記述する。具体的には、図１の左側から照明光Ｌ１が対物レンズ１０に入射し、対物レンズ１０の右側にある試料を照明する場合を説明する。もちろん、本実施の形態にかかる対物レンズ１０は、焦点Ｆ（試料）からの光を集める用途にも用いることができる。
【００２８】
対物レンズ１０は、２枚の反射鏡を有するシュヴァルツシルト型の反射対物レンズである。さらに、対物レンズ１０は、液浸媒質２０を用いた液浸対物レンズである。なお、図１には、説明の明確化のため、ＸＹＺ３次元直交座標系が示されている。ＸＹＺ３次元直交座標系において、Ｚ軸が対物レンズ１０の光軸ＯＸと平行となっており、ＸＹ平面が光軸ＯＸと垂直な平面となっている。通常、−Ｚ側が上側となるよう、対物レンズ１０が試料の上方に配置される。
【００２９】
対物レンズ１０は、無限系対物レンズであり、第１の素子１１と、第２の素子１２とを備えている。第１の素子１１と、第２の素子１２は透明な合成石英ガラス素子である。第１の素子１１は、第１の面Ｓ１、第２の面Ｓ２、第３の面Ｓ３、及び第４の面Ｓ４を備えている。第１の面Ｓ１及び第３の面Ｓ３が第１の素子１１の−Ｚ側の界面となり、第２の面Ｓ２及び第４の面Ｓ４が＋Ｚ側の界面となる。
【００３０】
第１の面Ｓ１は、光軸ＯＸ上に配置された透過平面である。第１の面Ｓ１は、照明光Ｌ１の入射側（−Ｚ側）に配置され、ＸＹ平面に平行になっている。例えば、ＸＹ平面において、第１の面Ｓ１は、円形となっている。照明光Ｌ１は、第１の面Ｓ１を介して、第１の素子１１の内部に入射する。
【００３１】
第２の面Ｓ２は、光軸ＯＸ上に配置された反射凸面である。第２の面Ｓ２は、第１の面Ｓ１から第１の素子１１に入射した照明光を第３の面Ｓ３に向けて反射する。図１では、第２の面Ｓ２で反射した照明光が照明光Ｌ２として示されている。第２の面Ｓ２は、第１の面Ｓ１と対向するように配置されており、凸面鏡として機能する。第２の面Ｓ２は光軸ＯＸ上で最も−Ｚ側に位置し、ＸＹ平面において光軸ＯＸから離れるほど、＋Ｚ側に位置する凸面形状を有している。第３の面Ｓ３では、例えば、合成石英ガラス素子に金属膜などの反射膜が形成されている。
【００３２】
第３の面Ｓ３は、第１の面Ｓ１の外側に配置された反射凹面である。第３の面Ｓ３は、第２の面Ｓ２で反射した照明光Ｌ２を第４の面に向けて反射する。図１では、第３の面Ｓ３で反射した照明光が照明光Ｌ３として示されている。第３の面Ｓ３は、第１の面Ｓ１に対応する中空部分を有する穴開き凹面鏡として機能する。第４の面Ｓ４では、例えば、合成石英ガラス素子に金属膜などの反射膜が形成されている。
【００３３】
具体的には、第３の面Ｓ３は、第１の面Ｓ１から連続する凹面である。すなわち、第３の面Ｓ３は、第１の面Ｓ１の円形の外周から外側に向けて延びている。第１の面Ｓ１と第３の面Ｓ３の境界において、第１の面Ｓ１と第３の面Ｓ３のＺ方向位置は一致している。そして、ＸＹ平面において光軸ＯＸから離れるほど、第３の面Ｓ３は、＋Ｚ側に位置する。
【００３４】
第４の面Ｓ４が、第２の面Ｓ２の外側に配置された透過平面である。第３の面Ｓ３で反射した照明光Ｌ３は、第４の面Ｓ４を通過する。第４の面Ｓ４は、ＸＹ平面に平行になっている。第４の面Ｓ４は、光軸ＯＸを含む中空部分を有しており、この中空部分に第２の面Ｓ２が配置される。
【００３５】
具体的には、第４の面Ｓ４は第２の面Ｓ２から連続する平面である。すなわち、第４の面Ｓ４は、第２の面Ｓ２の円形の外周から外側に向けて延びている。第４の面Ｓ４と第２の面Ｓ２の境界において、第４の面Ｓ４と第２の面Ｓ２のＺ方向位置は一致している。
【００３６】
第２の素子１２は、第１の素子１１の試料側（＋Ｚ側）に配置された平行平板である。したがって、第２の素子１２は、第１平面Ｓ４’と第２平面Ｓ５を備えている。第１平面Ｓ４’と第２平面Ｓ５は、ＸＹ平面に平行な透過平面である。第１平面Ｓ４’と第２平面Ｓ５は、段差のない平坦な平面となっている。
【００３７】
第１の素子１１の第４の面Ｓ４と第２の素子１２の第１平面Ｓ４’が第１の素子１１と第２の素子１２との接合面となっている。すなわち、第１の素子１１の第４の面Ｓ４と、第２の素子１２の第１平面Ｓ４’とが接合されることで、対物レンズ１０が製造される。第４の面Ｓ４と第１平面Ｓ４’とは実質的に同一のＸＹ平面にある。ただし、第４の面Ｓ４と第１平面Ｓ４’との間には、接合のための光学素子用接着剤等が介在していてもよい。
【００３８】
第２の面Ｓ２は第４の面Ｓ４から−Ｚ側に膨らんだ凸面であるため、第２の面Ｓ２と第１平面Ｓ４’との間には空間１３が設けられている。空間１３は、第３の面Ｓ３と第１平面Ｓ４’とで囲まれた空間である。空間１３は、第２の面Ｓ２の反射面の反対側に配置される。空間１３は、ＸＹ平面において、対物レンズ１０の光軸ＯＸを含む中央部分にある。
【００３９】
さらに、第２平面Ｓ５には、平行平板のカバーガラス３０が対向配置されている。カバーガラス３０は、第３平面Ｓ６と第４平面Ｓ７とを備えている。第３平面Ｓ６と第４平面Ｓ７は、ＸＹ平面に平行である。第３平面Ｓ６が第２の素子１２側に配置され、第４平面Ｓ７が試料側に配置される。カバーガラス３０の第３平面Ｓ６と第２の素子１２の第２平面Ｓ５との間には、液浸媒質２０で満たされている。第４平面Ｓ７は焦点Ｆが形成される焦点面となる。
【００４０】
第１の素子１１と第２の素子１２は、同じ屈折率を有する透明材料である。例えば、第１の素子１１と第２の素子１２には、合成石英ガラスなどの同じ材料が用いられている。カバーガラス３０、及び液浸媒質２０には、使用波長領域において、第１の素子１１、及び第２の素子１２の屈折率とほぼ同じ屈折率を有する材料を用いることが好ましい。もちろん、第１の素子１１及び第２の素子１２の屈折率と、液浸媒質２０及びカバーガラス３０の屈折率とが異なる値であっても、屈折率差が性能を低下させない程度に小さければよい。対物レンズ１０と共に用いるチューブレンズによって、屈折率差に起因する収差を補正することも可能である。
【００４１】
カバーガラス３０は、第１の素子１１、及び第２の素子１２と同じ材料を用いてもよい。同じ材料を用いる場合、カバーガラス３０の屈折率は、第１の素子１１、及び第２の素子１２の屈折率と一致する。このような構成とすることで、第３の面Ｓ３で反射された光が第４の面Ｓ４、第２平面Ｓ５、第３平面Ｓ６でほとんど屈折されることなく第４平面Ｓ７上の焦点Ｆに達する。よって、色収差の発生を抑えることができる。
【００４２】
対物レンズ１０はカバーガラス３０無しで使用することもできる。この場合は第２平面Ｓ５から試料の間を液浸媒質２０で満たす。第２平面Ｓ５は、液浸媒質２０と接触する。対物レンズ１０はカバーガラスを使用する場合でも、第３平面Ｓ６で光がほとんど屈折されない設計であるため、カバーガラスの有無にかかわらず同じ設計の対物レンズが使用できる。
【００４３】
対物レンズ１０は、２枚の反射鏡（第２の面Ｓ２、及び第３の面Ｓ３）を有するシュヴァルツシルト型の反射対物レンズである。このため、対物レンズ１０を用いることで、高いＮＡでの顕微鏡観察が可能となる。さらに、カバーガラス３０と対物レンズ１０との間が空気よりも屈折率が高い液浸媒質２０で満たされている。よって、高いＮＡでの観察が可能になる。
【００４４】
対物レンズ１０では、非平面が第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の二つのみとなっている。第１の素子１１に２つの非平面（第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３）を形成すればよいため、３つの非平面を形成する非特許文献２よりも製作が容易である。また、第２の素子１２、及びカバーガラス３０は対向する２面が平行平面である素子である。このため、第２の素子１２、及びカバーガラス３０を、容易に製作できる。これにより、対物レンズ１０の製造誤差を小さくすることができる。
【００４５】
対物レンズ１０を製造する場合、まず、第１の素子１１、及び第２の素子１２を用意する。例えば、成型やレンズ加工により、第１の素子１１、及び第２の素子１２を製造する。そして、第１の素子１１の第４の面Ｓ４と第２の素子１２の第１平面Ｓ４’とを接合する。こうすることで、高い精度で対物レンズ１０を製造することができる。
【００４６】
また、第１の素子１１と第２の素子１２の接合面（Ｓ４、Ｓ４’）は、段差のない平面となっている。よって、第１の素子１１と第２の素子１２とを接合して対物レンズ１０を組み立てる時に、偏心、傾きなどの調整が不要である。また、第１の面Ｓ１から第２平面Ｓ５の間隔は第１の素子１１、第２の素子１２の製作時に決定されるため、組み立て時には面間隔を調整する必要がない。これにより、高い精度で対物レンズ１０を製作することができる。
【００４７】
また、本実施の形態にかかる対物レンズ１０を用いることで、軸外の光に対する性能劣化を非特許文献１の対物レンズよりも低減することができる。例えば、非特許文献１では、軸外の光が平凸レンズの球面に垂直に入射しなくなり、収差が発生する。一方、本実施の形態にかかる対物レンズ１０では、第１の面Ｓ１において軸外の光が屈折される。第１の面Ｓ１は平面であるため、軸外の光が平行光であれば、第１の面Ｓ１で屈折した後でも平行光のままとなる。よって、軸外の光に対する性能劣化を低減することができる。換言すると、対物レンズ１０では、非特許文献１の対物レンズよりも広い視野を実現することができる。
【００４８】
また、本実施の形態にかかる対物レンズ１０は、開口数をＮＡ、焦点距離をｆ、入射瞳径をＤとするとき、式１の条件を満たすよう設計することが好ましい。
０．９５×（２×ｆ×ＮＡ）＜Ｄ＜１．０５×（２×ｆ×ＮＡ）  ・・・（１）
式１の条件は正弦条件に対する誤差が５％以下であることを表している。対物レンズが正弦条件を満たすとき、
Ｄ＝２×ｆ×ＮＡ ・・・（２）
である。
例えば、非特許文献２に開示された対物レンズのレンズデータでは、式（１）の条件を満たしていない。このため、非特許文献２の対物レンズでは、軸外の光に対して急激に性能が劣化するため、１μｍ程度の視野しか得ることができない。これに対して、式（１）の条件を満たすよう対物レンズ１０を設計することよって、軸外の光に対する性能劣化を低減することができる。よって、視野を広くすることができる。本実施例１の対物レンズ１０によれば、例えば、１９μｍ程度の視野を実現することができる。本実施の形態により、非特許文献２よりも高性能の対物レンズ１０を実現することができる。
【００４９】
第３平面Ｓ６と第４平面Ｓ７との間隔はカバーガラス３０の第４平面Ｓ７上に焦点を結ぶように、使用時に調整することができる。この調整によって、カバーガラス３０の厚さに製造誤差がある場合でも、第４平面Ｓ７に焦点を結ぶことが可能である。
【００５０】
また、第１の素子１１と第２の素子１２とが接合されているため、第１の素子１１と第２の素子１２との間に空間１３が設けられている。これにより、製造誤差を小さくすることができる。すなわち、したがって、特許文献１のようにインクジェットプリント法を用いていないため、第３の面Ｓ３と第１平面Ｓ４’とで囲まれた空間１３には、特許文献１のようなキャリア材料が配置されていない。よって、凹面と凸面を高い精度で製造することができる。例えば、成型やレンズ加工により、第１の素子１１、及び第２の素子１２を製造する。そして、第１の素子１１の第４の面Ｓ４と第２の素子１２の第１平面Ｓ４’とを接合することで、対物レンズ１０を製造することができる。なお、空間１３を樹脂や、第１の素子１１と同じ材料を空間１３の形状に合わせて加工したもの等で埋めるようにしてもよい。
【００５１】
液浸媒質２０を挟む第２平面Ｓ５と第３平面Ｓ６は平面であるため、カバーガラス３０と対物レンズ１０の間の空間を容易に液浸媒質２０で満たすことができる。例えば、対物レンズ１０を試料の上方に配置した場合でも、確実に第２平面Ｓ５と第３平面Ｓ６の間の空間を液浸媒質２０で満たすことができる。よって、高いＮＡでの観察を行うことができる。
【００５２】
第２の面Ｓ２及び第３の面Ｓ３の両方を球面とすることができる。あるいは、第２の面Ｓ２及び第３の面Ｓ３の一方を球面とし、他方を非球面としてもよい。さらには、第２の面Ｓ２及び第３の面Ｓ３の両方を非球面としてもよい。第２の面Ｓ２及び第３の面Ｓ３の少なくとも一方を非球面とすることで、両方を球面とする場合よりもＮＡを高くすることができる。
【００５３】
軸外に集光される光は、第１の面Ｓ１において屈折されるため色収差が発生する。この色収差は、対物レンズ１０と共に用いるチューブレンズによって補正できる。
【００５４】
本実施の形態にかかる観察方法は、上記の対物レンズ１０を用いた観察方法である。試料を覆うカバーガラス３０に対向するように対物レンズ１０を配置する。そして、対物レンズ１０とカバーガラス３０の間に液浸媒質２０を満たした状態で、観察を行う。このようにすることで、高いＮＡでの観察が可能となり、顕微鏡の分解能を向上することができる。
【００５５】
実施例１．
実施例１にかかる対物レンズ１０のレンズデータを図２の表に示す。第３の面Ｓ３は球面となっており、第２の面Ｓ２は非球面となっている。なお、面間隔は当該面番号の面からその次の面番号の面までのＯＸ軸上におけるＺ方向距離を示している。また、第３の面Ｓ３は光軸ＯＸ上に存在していないため、面番号がＳ２，Ｓ３の面間隔は、第３の面Ｓ３に対応する仮想的な球面のＺ軸上における位置からの距離を示している。
【００５６】
また、図２は、第２の面Ｓ２の非球面データについても示している。光軸方向にｚ軸、光軸と垂直方向にｒ軸、光軸に沿って焦点Ｆに向かう方向を正とすると、非球面形状は、以下の式（３）により表される。ここで、Ｚ、及びｒの単位はｍｍである。
【００５７】
【数１】
2018047714.tif 000003
【００５８】
使用波長領域を２００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外領域とする場合、第１の素子１１、第２の素子１２、及びカバーガラス３０の材料には、この領域の光を透過する合成石英ガラス（例えば信越石英製、SUPRASIL-P248）を用いることができる。第１の素子１１、第２の素子１２、及びカバーガラス３０の材料は、屈折率にかかわらず、使用波長領域の光を透過する光学材料に変更できる。言い換えると、材料を変更する場合も、レンズデータの曲率半径、面間隔および有効径を変更する必要はない。
【００５９】
第１の素子１１と第２の素子１２との接合には、オプティカルコンタクトによる方法を用いることができる。オプティカルコンタクトを容易にするため、図３のように第１の面Ｓ１〜第２の面Ｓ２の中央遮蔽部分までの穴１５を設けてもよい。穴１５は第１の素子１１を貫通しており、光軸ＯＸ上に配置されている。穴１５は第１の面Ｓ１から第２のＳ２まで到達している。したがって、穴１５は、光軸ＯＸに沿って配置され、空間１３と繋がっている。あるいは、シリコーンオイルを塗布した後に紫外線を照射する接合方法を用いて、第１の素子１１と第２の素子１２とを接合してもよい。シリコーンオイルを塗布した後に紫外線を照射する接合方法については、例えば、特許第４５３２３７１号に記載されている。
【００６０】
図４、及び図５にオプティカルコンタクトを容易にするための別の構造を示す。図４は、対物レンズ１０の構成を示す断面図であり、図５は、第２の素子１２の第１平面Ｓ４’を示す平面図である。図４、及び図５の対物レンズ１０では、第２の素子１２の第１平面Ｓ４’に溝１７が設けられている。すなわち、第２の素子１２の第１平面Ｓ４’の一部が窪むように形成されることで、第１平面Ｓ４’に溝１７が形成される。溝１７は、Ｘ方向に沿って設けられている。溝１７は、空間１３と繋がるように、第１平面Ｓ４’の一端から中心を通って他端まで伸びている。溝１７を設けることで、空間１３と外部の空間とを接続することができる。なお、図５に示す例では、溝１７は、Ｘ方向に沿って設けられているが、溝１７の方向、数は特に限定されるものではない。例えば中心から放射状に３本の溝を設けても良い。
【００６１】
あるいは、第４の面Ｓ４と第１平面Ｓ４’との間に液浸媒質を塗布し、面同士を密着させて保持しても良い。第２の面Ｓ２、及び第３の面Ｓ３に、例えばアルミニウムを蒸着することで反射面とすることができる。あるいは誘電体多層膜を形成することで、第２の面Ｓ２、及び第３の面Ｓ３を反射面としても良い。
【００６２】
第１の素子１１、第２の素子１２、及びカバーガラス３０の材料に合成石英ガラスを用いる場合、液浸媒質２０にはグリセリンと水の混合物を用いることができる。グリセリンは合成石英ガラスよりも高屈折率であり、水は合成石英ガラスよりも低屈折率である。このため、グリセリンと水との混合比を調整することで、特定の波長において合成石英ガラスと同じ屈折率の液浸媒質２０を調製することが可能である。このように調製したグリセリンと水の混合物を用いる場合、一致させた波長を中心とした少なくとも±５ｎｍの波長領域において、対物レンズ１０単体で回折限界の性能が得られる。
【００６３】
あるいは、液浸媒質２０には直鎖または環状の炭化水素あるいはその混合物を用いることができる。混合物を用いる場合には、使用波長領域において合成石英ガラスよりも高屈折率の材料と低屈折率の材料を用いれば良い。例えば、使用波長領域が２５０ｎｍ〜３２０ｎｍである場合には、高屈折率の材料としてシクロデカン、シクロオクタン等が挙げられ、低屈折率の材料としては、ヘキサデカン、ペンタデカン、テトラデカン等が挙げられる。そして、高屈折率の材料と、低屈折率の材料とを混合する。こうすることで、特定の波長において合成石英ガラスと屈折率が一致する液浸媒質２０を調製することが可能である。
【００６４】
液浸媒質２０の原料は使用温度において液体であるものを選ぶ。このとき、なるべく揮発性の低い炭化水素を原料に選ぶことで、揮発による屈折率の変化を防ぐことができる。例示した炭化水素は室温においてこれらの条件を満たす。炭化水素の混合物を用いる場合には、グリセリンと水の混合物を用いる場合とは異なり、液浸媒質２０が空気中の水分を吸湿して、屈折率が変化してしまう恐れがない。
【００６５】
実施例２．
実施例１の対物レンズは４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域において、一部を変更して用いることができる。可視光領域で用いる場合、第１の素子１１と第２の素子１２との接合には、実施例１で示した方法以外に、光学素子用接着剤を用いて接着する方法を用いることができる。
【００６６】
第２の面Ｓ２、及び第３の面Ｓ３は実施例１と同様にアルミニウム蒸着により反射面とできるほか、可視光領域でアルミニウムよりも反射率の高い銀を蒸着して反射面としても良い。液浸媒質には実施例１と同様に合成石英ガラスと屈折率が一致するように調整されたグリセリンと水の混合物を用いることができるほか、可視光領域で合成石英ガラスと屈折率が一致するように調整された市販の液浸媒質(例えば、Cargille Laboratories製50350)を用いることができる。第１の素子１１と第２の素子１２の素材は可視光を透過するＢＫ７などの光学ガラスに変更できる。このとき、液浸媒質は使用する光学ガラスと屈折率が一致するものに変更する。
【００６７】
実施例３
実施例３にかかる対物レンズ１０のレンズデータを図６の表に示す。実施例３はＮＡを１．２で設計したデータである。本実施例３では、実施例１のデータと比較して誤差感度が小さく、製造がより容易である。実施例２と同様に変更することで、可視光領域で使用することもできる。
【００６８】
変形例１
対物レンズ１０Ａの変形例を図７、及び図８に示す。図７、及び図８は変形例１にかかる対物レンズ１０Ａを示す図である。図７では、対物レンズ１０Ａを乾燥対物レンズとして用いた場合の構成を示し、図８は、対物レンズ１０Ａを液浸対物レンズとして用いた場合の構成を示している。変形例１では、一つの対物レンズ１０Ａを乾燥対物レンズとしても、液浸対物レンズとしても、どちらにも使用できる。
【００６９】
図１では、第２平面Ｓ５が中央部分を含めて平面となっているのに対して、変形例１では、第２の素子１２の第１平面Ｓ４’と対向する面Ｓ５１の一部が球面Ｓ５１ａとなっている。なお、面Ｓ５１の以外の構成については、図１と同様であるため、説明を省略する。
【００７０】
球面Ｓ５１ａは光軸ＯＸ上の焦点を中心とした球面である。球面Ｓ５１ａは、平面Ｓ５１ｂの中央部分（光軸を含む部分）に設けられている。球面Ｓ５１ａは、面Ｓ５１の中央部分に配置された凹面となっている。球面Ｓ５１ａは、透過面であり、試料側にある焦点を曲率中心としている。したがって、第２の素子１２の試料側の面Ｓ５１は、光軸ＯＸ上に配置された球面Ｓ５１ａと、球面Ｓ５１ａの周りに配置された平面Ｓ５１ｂとによって構成されている。平面Ｓ５１ｂの中央部分が窪むことで球面Ｓ５１ａが形成される。
【００７１】
図７のように、液浸媒質およびカバーガラスを用いない乾燥対物レンズとして対物レンズ１０を用いることができる。球面Ｓ５１ａは光軸上の焦点を中心とした球面であり、光軸上の焦点に向かう光は球面に垂直に入射するため、球面Ｓ５１ａで屈折されず、軸上の色収差は発生しない。
【００７２】
図８のように液浸対物レンズとして対物レンズ１０Ａを用いる場合、カバーガラス３０を第２の素子１２の試料側の面Ｓ５１と対向するように配置する。そして、第２の素子１２の球面Ｓ５１ａとカバーガラス３０の第３平面Ｓ６の間を、第２の素子の屈折率に等しい屈折率を有する液浸媒質で満たす。このとき球面Ｓ５１ａでの屈折は生じない。そのため、面Ｓ５１を平面とした場合と同じ結像特性の対物レンズとなる。
【００７３】
第１平面Ｓ４１’と対向する面Ｓ５１に球面Ｓ５１ａを設けることで、必要な液浸媒質の量は増加するが、非特許文献２の対物レンズに比べると、液浸媒質の量は少なくてよい。必要な、液浸媒質の量を減らすには球面Ｓ５１ａの曲率半径を光線が通る領域を確保した上でなるべく小さくする。球面Ｓ５１ａは、液浸媒質２０と接触する。
【００７４】
なお、図７，及び図８において、球面Ｓ５１ａの外側は、平面Ｓ５１ｂとなっているが、平面Ｓ５１ｂとなっていなくてもよい。例えば、球面Ｓ５１ａの外側を円錐面としてもよい。したがって、面Ｓ５１は、第１平面Ｓ４１と平行な平面Ｓ５１ｂを有していなくてもよい。
【００７５】
例えば、第１平面Ｓ４‘を第４の面Ｓ４と接合する第１平面とし、面Ｓ５１を第１平面と対向する対向面とすると、本実施の形態にかかる対物レンズ１０は、以下のように表現することも可能である。
【００７６】
本実施の形態にかかる対物レンズ１０Ａは、第１の面、第２の面、第３の面、及び第４の面を有する第１の素子と、前記第４の面と接合される第１平面と、前記第１平面と対向する対向面とを備えた第２の素子であって、前記第１の素子の試料側に配置された第２の素子と、を備えた反射対物レンズであって、前記第１の面が、光軸上に配置された透過平面であり、前記第２の面は、光軸上に配置された反射凸面であり、前記第３の面は、前記第１の面の外側に配置された反射凹面であり、前記第４の面が、前記第２の面の外側に配置された透過平面であり、前記第１平面が透過平面であり、前記対向面の中央部分には、透過面である球面が設けられている。
【００７７】
変形例１に示したように、第２の素子１２の試料側の面（対向面）は平面に限定されるものではなく、円錐面などであってもよい。したがって、本実施の形態にかかる対物レンズは、以下のように表現することも可能である。
【００７８】
本実施の形態にかかる対物レンズは、第１の面、第２の面、第３の面、及び第４の面を有する第１の素子と、前記第４の面と接合される第１平面と、前記第１平面と対向する対向面とを備えた第２の素子であって、前記第１の素子の試料側に配置された第２の素子と、を備えた反射対物レンズであって、前記第１の面が、光軸上に配置された透過平面であり、前記第２の面は、光軸上に配置された反射凸面であり、前記第３の面は、前記第１の面の外側に配置された反射凹面であり、前記第４の面が、前記第２の面の外側に配置された透過平面であり、前記第１平面が透過平面であり、前記対向面は透過面である。
【００７９】
この出願は、２０１６年９月８日に出願された日本出願特願２０１６−１７５４１２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【００８０】
１０  対物レンズ
１１  第１の素子
１２  第２の素子
１３  空間
２０  液浸媒質
３０  カバーガラス
Ｓ１  第１の面
Ｓ２  第２の面
Ｓ３  第３の面
Ｓ４  第４の面
Ｓ４‘  第１平面
Ｓ５  第２平面
Ｓ５１  面
Ｓ５１ａ  球面
Ｓ５１ｂ  平面
Ｓ６  第３平面
Ｓ７  第４平面
【図１】
2018047714.tif 000004
【図２】
2018047714.tif 000005
【図３】
2018047714.tif 000006
【図４】
2018047714.tif 000007
【図５】
2018047714.tif 000008
【図６】
2018047714.tif 000009
【図７】
2018047714.tif 000010
【図８】
2018047714.tif 000011
【国際調査報告】
2018047714.tif 000012
2018047714.tif 000013
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